Объективы для видеосъемки

странства предметов и образует фокус в пространстве изображений, то такой фокус называется задним. Если наоборот, пучок из пространства изображений собирается в пространстве предметов, то такой фокус называется передним. В оптике принято считать, что световые лучи идут слева направо, то есть слева находится пространство предметов, а справа - пространство изображений.

Использование понятий «передняя и задняя главные плоскости объектива» позволяет упростить расчет хода лучей через оптическую систему. В промежутке между передней (в пространстве предметов) и задней (в пространстве изображений) плоскостями все оптические лучи параллельны оптической оси.

Фокусное расстояние от передней главной плоскости до переднего фокуса называется передним фокусным расстоянием. Так как по определению оно отсчитывается справа налево (против обычного хода лучей в оптике), его считают отрицательным. Фокусное расстояние от задней главной плоскости до заднего фокуса называется задним фокусным расстоянием. Оно отсчитывается слева направо (по ходу лучей в оптике) и является положительным. В технических характеристиках кино- и видеообъективов указывается заднее фокусное расстояние. Если показатели преломления среды в пространстве объектов и в пространстве изображений одинаковы, например, воздух при обычной видеосъемке, то заднее и переднее фокусные расстояния равны между собой. Если оптические среды до и после объектива имеют разные показатели преломления, например, вода и воздух, то абсолютные значения фокусных расстояний (переднего и заднего) прямо пропорциональны соответствующим показателям преломления.

При одном и том же расстоянии до снимаемого объекта объективы с разным фокусным расстоянием обеспечивают разный масштаб съемки и по-разному передают глубину пространства. В зависимости от этих параметров их делят на 3 группы: нормальные, короткофокусные и длиннофокусные. Границы между этими тремя группами определяются соотно-

10

шением фокусного расстояния и диагонали кадра. Диагональ кадра в цифровых видеокамерах равна диагонали матрицы. Это значение указано в паспорте видеокамеры, как правило в дюймах, необходимо перевести его в миллиметры, умножив его на коэффициент 25,4.

Нормальным считается объектив, у которого фокусное расстояние равно удвоенной диагонали кадра. В [5] указано, что нормальные объективы дают изображения с естественной, неискаженной перспективой, ими часто снимают средние планы, а при съемке нормальным объективом крупных планов появляются искажения, обусловленные нарушением пропорций деталей объекта съемки, находящихся на разном расстоянии от кинокамеры (например, непропорциональное увеличение протянутой к аппарату руки актера).

Длиннофокусные объективы, у которых фокусное расстояние больше удвоенной диагонали кадра, сокращают глубину снимаемого пространства. Все предметы кажутся сплюснутыми по глубине. Скорость движения вглубь кадра и обратно замедляется. В [7] приведены формулы, позволяющие рассчитать, насколько изменяется при восприятии темп движения вдоль оптической оси объектива в зависимости от фокусного расстояния объектива и других параметров.

Увеличение фокусного расстояния объектива уменьшает глубину резко изображаемого пространства. Глубина резко изображаемого пространства - это расстояние вдоль оптической оси объектива между двумя плоскостями в пространстве предметов, в пределах которого предметы изображаются на светочувствительном слое фотоматериала достаточно резко [6]. Таким образом, фокусное расстояние влияет на резкость в изображении самых близких и самых далеких предметов в кадре.

На рис.3.1 представлена фотография, где из-за малой глубины резко изображаемого пространства верхняя и нижняя часть наклонного пня с грибами получились нерезкими, а центральная часть пня, по которой осуществлялась наводка на резкость, имеет хорошее качество по резкости.

11

средством штативов либо использовать стабилизационные возможности видеокамеры или специальной насадки на объектив.

Масштаб при съемке длиннофокусными объективами максимален, т.е. снимаемые предметы на светочувствительном носителе получаются максимально крупными. Длиннофокусными объективами обычно снимают крупные планы [5].

У короткофокусных объективов фокусное расстояние меньше удвоенной диагонали кадра. Их также называют широкоугольными, так как угловой охват снимаемого пространства у них больше, чем у нормальных. Масштаб при съемке короткофокусными объективами минимален, и снимаемые предметы на светочувствительном носителе получаются мелкими. С другой стороны, эти объективы увеличивают глубину пространства, поэтому небольшие предметы на заднем фоне воспринимаются зрителем крупнее, чем они были на самом деле. Короткофокусные объективы имеют большую глубину резко изображаемого пространства. При их использовании темп движения вглубь кадра и обратно воспринимается на экране увеличенным. Широкоугольные объективы позволяют осуществлять съемку с малых дистанций, поэтому могут использоваться в тесных помещениях [5].

Недостаток короткофокусных объективов - значительные геометрические искажения, проявляющиеся как искривление прямолинейных контуров в изображении (дисторсия), при панорамировании искривляются вертикальные линии по краям кадра [5].

Иногда дисторсия используется как художественный эффект. Широкоугольные объективы с намеренно неисправленной бочкообразной дисторсией называются «рыбий глаз». Оптическая схема объектива типа МС Зенитар-М типа «рыбий глаз» представлена на рис. 3.2, приведенном в [8].

В настоящее время для видеосъемки преимущественно используют объективы с переменным фокусным расстоянием. Отношение максимального фокусного расстояния к минимальному

13

(так называемый «оптический зум») может достигать 80 при применении конвертера - специальной оптической насадки, увеличивающей фокусное расстояние объектива. Конвертер, как правило, увеличивает фокусное расстояние в 1,4— 2 раза и во столько же уменьшает относительное отверстие объектива. В некоторых моделях видеокамер регулируется скорость изменения фокусного расстояния.

Рис. 3.2. Оптическая схема объектива типа «рыбий глаз»

Анализ соотношений диагонали матрицы и диапазона фокусных расстояний свидетельствует о том, что в основном объективы с переменным фокусным расстоянием в камере работают как длиннофокусные со всеми присущими этой группе достоинствами и недостатками.

Так как положение главных плоскостей объектива относительно оправы или поверхности крайних линз приводится только в практически недоступных операторам и другим пользователям оптических схемах объектива, то определить при необходимости положение фокуса возможно по заднему вершинному фокусному расстоянию. Указанный параметр вместе с рабочим отрезком и торцовым расстоянием определяют положение объектива относительно корпуса видеокамеры и соответственно относительно светочувствительной матрицы, а также воз-

14

можность при замене «штатного» объектива другим осуществлять автофокусировку.

Заднее вершинное фокусное расстояние (задний отрезок) - это расстояние от «вершины», т.е. точки пересечения главной оптической оси с внешней поверхностью задней линзы объектива, до заднего главного фокуса [6]. Обычно задний отрезок меньше главного фокусного расстояния. Объективы с одинаковым фокусным расстоянием могут иметь разные задние отрезки, что необходимо учитывать при комплектации видеокамеры набором объективов.

Рабочий отрезок (рабочее расстояние объектива) - это расстояние от опорной плоскости торцевой части оправы объектива до главной фокальной плоскости [6]. Показан на рис. 3.3 как ZPa6Главной фокальной плоскостью называется плоскость, перпендикулярная оптической оси, где у идеальной оптической системы располагаются главный и все остальные фокусы — точки пересечения преломленных объективом параллельных лучей.

оправа

объектива.

Рис. 3.3. Рабочий отрезок объектива

Рабочий отрезок объектива определяет положение плоскости светочувствительной матрицы. Для сменных объективов его численное значение приводится в паспорте. Важным параметром с точки зрения взаимозаменяемости является также

15

торцовое расстояние - минимальное расстояние от заднего торца оправы объектива до его заднего фокуса [6].

Углы поля зрения определяют угловой охват снимаемого пространства, изображаемого в пределах кадра и ограниченного внутри картинной плоскости на рис. 3.4, приведенном в [5]. Если углы поля зрения являются угловыми границами в пространстве предметов (левая относительно объектива область на рис. 3.4), то углы поля изображения определяют угловой охват в пространстве изображений (правая относительно объектива область на рис. 3.4). Если показатели преломления сред в пространствах предметов и изображений одинаковы, например, «воздух-воздух», то углы в обоих пространствах равны.

Рис. 3.4. Углы поля зрения и поля изображения

Соотношение фокусного расстояния объектива и диагонали матрицы не только влияют на возможный диапазон масштабов съемки, но и определяют углы поля зрения объектива.

Различают диагональный 2ю', горизонтальный 2оог и вертикальный 2сов углы поля зрения и поля изображения (см. рис. 3.4).

У многих объективов диаметр поля изображения больше диагонали кадра и, следовательно, используемый угол поля изображения меньше предельно допустимого [7]. При фокусировке объектива на бесконечность значение угла поля изображения может быть определено по формуле

16

tg со = / /2/,

где ю - половина угла поля изображения по диагонали, горизонтали или вертикали;

/- диагональ, ширина или высота кадра;

/- фокусное расстояние объектива.

Этой формулой можно пользоваться для расстояний, присущих обычной видеосъемке, т. к. дистанция съемки считается бесконечно большой по сравнению с фокусным расстоянием объектива. Исключением являются макросъемки, где дистанции соизмеримы с фокусным расстоянием. Для таких случаев в [9] предлагается формула (3.1), учитывающая дополнительное выдвижение объектива:

где х' - дополнительное выдвижение объектива для данной дистанции съемки.

В случае использования декораций в художественной съемке угол поля зрения для съемки определенного плана необходимо знать заранее, чтобы изготовить декорации необходимого размера.

4.Характеристики, связанные с яркостью

испектральным составом изображения

Освещенность светочувствительной матрицы в видеокамере при прочих равных условиях зависит в первую очередь от относительного отверстия объектива.

Геометрическое относительное отверстие — это отношение диаметра входного зрачка к заднему фокусному расстоянию [6]. Входной зрачок есть изображение 1 (рис. 4.1) апертурной диафрагмы 2, сформированное передней частью 3 оптической системы (то есть расположенной левее конструкции диафрагмы) в пространстве предмеюжшзвшбшшом ходе лучей. Апертурпая

17

диафрагма 2 - отверстие, ограничивающее поперечное сечение как осевого, так и наклонных световых пучков, проходящих через объектив.

1

Рис. 4.1. К определению входного зрачка объектива

На рис. 4.2, приведенном в [3], показано, что пучок лучей, выходящих из какой-либо точки предмета (например, из точки О), ограничивается входным зрачком.

Рис. 4.2. Взаимное расположение элементов оптической системы

ивходного зрачка: АВ - предмет; О - апертурная диафрагма;

О- входной зрачок; Z., и 12 - части оптической системы, расположенные соответственно перед апертурной диафрагмой и за ней

Ввидеокамерах максимальное значение геометрического относительного отверстия зависит от параметров оптической схемы объектива. Меньшие значения устанавливаются за счет

18

изменения размера апертурной диафрагмы, обычно конструктивно выполненной в виде совокупности лепестков. Такая лепестковая конструкция получила название ирисовой.

При изменении фокусного расстояния объектива в нем происходит взаимное перемещение оптических элементов, и изображение апертурной диафрагмы в пространстве предметов, являющееся входным зрачком, изменяется. Как правило, при увеличении фокусного расстояния входной зрачок уменьшается. Поэтому и уменьшается относительное отверстие объектива. В техническом паспорте объектива или видеокамеры в таких случаях указывают 2 значения геометрического относительного отверстия: большее соответствует минимальному фокусному расстоянию, меньшее - максимальному.

Необходимо отметить, что геометрическое относительное отверстие определяет не только освещенность кадра, но и качество формируемого изображения, влияет на глубину резко изображаемого пространства.

В сложных многолинзовых объективах значительны потери света в объективе за счет поглощения и отражения оптическими элементами. Для того, чтобы упростить определение необходимой экспозиции (количества световой энергии, обеспечивающей оптимальный перепад освещенностей на светочувствительной матрице), эти потери «переводят» в уменьшение относительного отверстия, то есть считают, что данный объектив не имеет потерь за счет поглощения и отражения, а обладает уменьшенным относительным отверстием по сравнению с истинным, геометрическим. Такое уменьшенное относительное отверстие называют эффективным.

Эффективное относительное отверстие показывает, какое относительное отверстие имел бы идеальный (без потерь света за счет поглощения и отражения) объектив, создающий в кадре изображения такую же освещенность, как и данный реальный объектив [5].

На оправе объектива вместе с фокусным расстоянием или диапазоном расстояний указывается максимальное геометри-

19